Лабораторная работа №3. Структура и принцип работы мобильных сотовых телефонов стандарта GSM
Подвижные станции (ПС)- (мобильные телефоны, сотовые радиотелефоны и т. д) в пределах каждого класса модели в определенном стандарте сотовой мобильной связи различаются между собой не только количеством сервисных услуг, но и параметрами приемно-передающих трактов, конструкцией, внешним видом, блоком управления и т. п. Вообще говоря, стандарт GSM не определяет, как именно строить аппаратуру, но детально определяет интерфейсы и функции, выполняемые этой аппаратурой.
На мировом рынке существует большое количество и многообразие ПС, однако все они имеют следующие типовые блоки (рис.1.):
1. блок управления, в который входят дисплей и клавиатура (иногда туда включают микрофон и телефон);
2. приемо-передающий блок;
3. антенный блок с коммутатором каналов и диапазонов;
4. логический блок (мозговой центр ПС) включает цифровой сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor), иногда называемый CPU (Central Processor Unit), со своей оперативной и постоянной памятью, часто в его состав включают эквалайзер, канальный и речевой кодеки и др.;
5. идентификационный пользовательский модуль SIM-карта.
Структурная схема цифровой ПС, работающего в стандарте GSM, представлена на рис.2. Рассмотрим основные блоки ПС стандарта GSM.
1. Антенный блок.
- Антенна. В простейшем случае четвертьволновый вибратор - штырь, имеющей длину 
. При этом она выполняет функции передающей и приемной антенны (следует отметить, что антенну выполняют часто в виде спиральной укороченной антенны, по основным параметрам аналогичную стандартной полуволновой антенне);
- Антенный переключатель. Это электронный коммутатор, управляемый из CPU и подключающий вход антенны либо на выход передатчика, либо на вход приемника.
В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно и режим передачи осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования как в режиме передачи (разговор), так и в режиме приема (ожидание).
2. Приемо-передающий блок.
Рассмотрим основные блоки передатчика (ПРД), их назначение и функции.
- Речевой сигнал, преобразованный микрофоном (Мк) в электрический аналоговый сигнал и усиленный усилителем низкой частоты (УНЧ), поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого речевой сигнал преобразуется в цифровую форму и далее передача сигнала речи производится в цифровой форме.
- Кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, то есть преобразование сигнала (имеющего цифровую форму). В частности в АЦП и кодере речи осуществляется ИКМ, где частота дискретизации составляет 8кГц, а число уровней квантования выбирают равной 216.
- Кодер канала добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от CPU.
- Фазовый модулятор (ФМ) реализует фазовую манипуляцию ВЧ сигнала.
- Смеситель (СМ) предназначен для переноса сигнала на выходе фазового модулятора в диапазон частот 8МГц под действием сигнала, поступающего с синтезатора частот управляемого из CPU.
- Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) (обычно выполняемый на кремниевом фильтре) настраивается на одну из выбираемых CPU несущих частот и реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний.
- Усилитель мощности (УМ) не только усиливает высокочастотный сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд из CPU меняет коэффициент усиления (то есть используется режим нелинейного усиления), тем самым в зависимости от расстояния между ПС и БС выходная мощность передатчика ПС автоматически регулируется.
- Высокочастотный сигнал с выхода усилителя мощности через ФСС поступает в антенный коммутатор (АК) и в случае передачи речевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи.
Следует отметить, что тракт: ФМ-СМ-ФСС-УМ-ФСС очень часто реализуют в виде однокристальной интегральной микросхемы.
Таким образом, аналоговая часть передатчика выполняет обычные функции переноса информации кодированного цифрового сигнала в область несущей частоты выбранного частотного канала передачи, а цифровая часть - с активным участием CPU - обработку и передачу информации (речь и т. п) в цифровой форме с добавлением информационных потоков управления, защиты, адреса и т. п.
Рассмотрим основные блоки приемника (ПРМ), их назначение и функции.
- Высокочастотный сигнал в диапазоне 9МГц принимается антенной и через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приема) поступает в высокочастотный фильтр (обычно фильтр поверхностной акустической волны (ФПАВ)- керамический фильтр), усиливается в высокочастотном малошумящем усилителе (МШУ).
- Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть сигнал в более низкочастотную область, при этом на второй вход СМ1 гетеродинный сигнал подается с синтезатора частот (управляемого от CPU). ФСС на ПАВ (ФСС1) выделяет сигнал на первой промежуточной частоте и далее этот сигнал усиливается в тракте усилителей первой промежуточной частоты УПЧ1.
- Сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход второго смесителя СМ2. На второй вход СМ2 подается сигнал гетеродина от генератор частот. Далее ФСС2 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты, который усиливается УПЧ2 и поступает в блок демодуляции.
- Блок демодуляции. В блоке сигнал вначале демодулируется в фазовом демодуляторе (ФДМ) при этом на вход канального эквалайзера он поступает в виде цифрового видеосигнала. Назначение канального эквалайзера состоит в компенсации той разности хода между составляющими радиолучами при многолучевом распространении радиоволн, которая приводит к межсимвольной интерференции. Эквалайзер по своей сути - это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был по возможности в большей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале. Далее цифровой сигнал попадает в декодеры канала и речевого сигнала.
Декодер канала реализует процесс, обратный кодированию, и с учетом закодированной в кодере канала управляющей информации и речевого закодированного сигнала, декодирует весь поток информации.
Декодер речи декодирует цифровой поток речевой информации для дальнейшего преобразования ее из цифровой формы в аналоговую в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).
Далее электрический сигнал аналоговой речевой информации подается на телефон. Таким образом, завершается прием информации, переданной от БС на ПС.
Синтезатор частот (СЧ), являющийся задающим генератором колебаний высокой частоты (а именно, несущей частоты, зависящей от условий передачи или приема) для передачи информации по радиоканалу. Синтезатор используется в работе как передающего устройства, так и приемного, переключаясь в разные области выделенной полосы частот для передачи и приема. Кроме указанных основных функций, СЧ, под действием управляющих сигналов от CPU, реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping), при этом в стандарте GSM используются медленные скачки с переключением по частоте в каждом очередном кадре.
Следует отметить что, структурная схема на рис.2 является существенно упрощенной. На ней не показаны схемы контроля мощности на передачу и прием, схема управления частотой синтезатора частот для работы на определенном частотном канале, не развернуты схемы (даже на уровне структурных схем) кодеков каналов и речевых сигналов, возможные устройства шифрования/дешифрования сообщений.
ПС стандарта GSM включает также так называемый детектор речевой активности (Voice Activity Detector, VAD), который используется для реализации экономного расходования энергии источника питания (при уменьшении средней мощности излучения антенны ПС), снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, а также включает работу передатчика на излучение только в определенные интервалы времени, когда абонент говорит (то есть когда микрофон посылает аналоговые речевые сигналы в тракт передачи). На время паузы (абонент молчит) в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум. При необходимости в ПС могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), переключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.
